Σχεδίασα και εκτύπωσα 3D έναν
κινητήρα DC (BLDC) χωρίς ψήκτρες και έναν κινητήρα ελέγχου χρησιμοποιώντας το Arduino.
Εκτός από τους μαγνήτες, την περιέλιξη ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και τους αισθητήρες εφέ Hall, όλα τα εξαρτήματα του κινητήρα εκτυπώνονται με το Makerbot Replicator 2.
Το βίντεο δείχνει τον έτοιμο κινητήρα που λειτουργεί.
Αυτό το εκπαιδευτικό υλικό παρέχεται σε μορφή pdf μαζί με αρχεία cad και προγράμματα ελέγχου κινητήρα.
Πρόγραμμα ελέγχου κινητήρα του Arduino: χρησιμοποιήστε το αρχείο, αναθεωρήστε, αλλάξτε το σχέδιο δωρεάν ή κάντε ό,τι θέλετε με αυτό!
Αυτό το έργο απαιτεί τρισδιάστατους εκτυπωτές, μικροελεγκτές arduino και βασικά ηλεκτρονικά εργαλεία όπως πολύμετρο, παλμογράφο, τροφοδοτικό και ηλεκτρικά εξαρτήματα.
Πλήρης λίστα εξαρτημάτων και εργαλείων που χρησιμοποιώ.
Ο Πίνακας 1 δείχνει το κόστος κατασκευής του κινητήρα.
Ηλεκτρικά εξαρτήματα όπως αντιστάσεις και πυκνωτές δεν περιλαμβάνονται επειδή το κόστος είναι αμελητέο σε σχέση με το συνολικό κόστος του κινητήρα.
Εξαιρουμένων των μικροελεγκτών και των μπαταριών Arduino, το συνολικό κόστος κατασκευής του κινητήρα είναι 27 $. 71.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η μείωση του κόστους δεν αποτελεί την πρώτη προτεραιότητα. Η βελτιστοποίηση μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής.
Με βάση την αρχή ότι ο κινητήρας πρέπει να είναι εύκολος στη χρήση εύκολα προσβάσιμα μέρη για την κατασκευή, καθορίζονται οι προδιαγραφές σχεδιασμού του κινητήρα συνεχούς ρεύματος και θα πρέπει να παρέχουν το είδος παρόμοιο με την ποιοτική απόδοση πολλών εμπορικών κινητήρων DC, μικρών ηλεκτρικών ανεμιστήρων.
Ο κινητήρας έχει σχεδιαστεί για να είναι τριφασικός, 4-
πολικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος με 4-
τον μαγνήτη N52 nd στον ρότορα και την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα 3 καλωδίων συνδεδεμένη στον στάτορα.
Λόγω της αυξημένης απόδοσης, ο αριθμός των μηχανικών μερών μειώνεται και η τριβή μειώνεται, επιλέγεται ο σχεδιασμός χωρίς ψήκτρες.
Ο μαγνήτης N52 επιλέγεται για τη δύναμη, την τιμή και την ευκολία πρόσβασης.
Στην ενότητα \'έλεγχος κινητήρα bldc\', θα συζητηθεί περαιτέρω ο έλεγχος κινητήρα χωρίς ψήκτρες.
Ο Πίνακας 2 δείχνει τη σύγκριση μεταξύ του κινητήρα συνεχούς ρεύματος και του κινητήρα βούρτσας.
Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα σε
8-12 V, ελεγχόμενη από κύκλωμα ηλεκτρικού διακόπτη.
Ο αισθητήρας Hall θα παρέχει πληροφορίες θέσης σχετικά με το πότε θα γίνει αντικατάσταση του κυκλώματος.
Οι ακόλουθες εξισώσεις χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της απόδοσης του κινητήρα, δημιουργώντας έτσι τον αρχικό σχεδιασμό του κινητήρα.
Αν θέλετε να δείτε αυτές τις εξισώσεις, ρίξτε μια ματιά στο pdf που συνδέεται στην εισαγωγή και θα μπερδευτούν.
Η δύναμη μεταξύ των δύο μαγνητών σε μια ορισμένη απόσταση μπορεί να είναι περίπου κατά προσέγγιση με την ακόλουθη εξίσωση: F = BmAmBsAs/4g2, όπου B είναι η πυκνότητα του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του μαγνήτη και A είναι η περιοχή του μαγνήτη, g είναι η απόσταση μεταξύ δύο μαγνητών.
Bs, το μαγνητικό πεδίο της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας δίνεται από: B = NIl, όπου I είναι το ρεύμα, N είναι ο αριθμός των πακέτων και l το μήκος της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας.
Στον κινητήρα, η μέγιστη ροπή υπολογίζεται ότι είναι: t = 2 fr όπου r είναι η ακτίνα και η επιλογή είναι 25 mm.
Σε συνδυασμό με αυτές τις εξισώσεις, μπορεί να ληφθεί μια γραμμική έκφραση της ροπής εξόδου που σχετίζεται με το ρεύμα εισόδου μιας δεδομένης γεωμετρίας σωληνοειδούς.
F = 2rbmamasn4g2li η σταθερά ροπής που απαιτείται για την επιλογή είναι 40 m-
Nm/A με βάση την επιθυμητή απόδοση σε σχέση με άλλους διαθέσιμους κινητήρες [2].
Το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου απαιτείται για τον έλεγχο κινητήρα του BLDC.
Για να περιστρέψετε τον κινητήρα BLDC, ανάλογα με τη θέση του ρότορα, η περιέλιξη πρέπει να ενεργοποιηθεί με την καθορισμένη σειρά.
Η θέση του ρότορα ανιχνεύεται χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα χωλ που είναι ενσωματωμένος στον στάτορα.
Το σχήμα 3 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα του σχήματος ελέγχου κινητήρα BLDC.
Ο αισθητήρας Hall είναι ενσωματωμένος στον στάτορα με τρεις περιελίξεις κινητήρα, παρέχοντας μια ψηφιακή έξοδο που αντιστοιχεί στο εάν η Αρκτική ή η Ανταρκτική είναι πιο κοντά στον αισθητήρα.
Με βάση αυτή την ψηφιακή έξοδο, ο μικροελεγκτής παρέχει τη σειρά φάσεων για τον οδηγό του κινητήρα, τροφοδοτώντας έτσι την αντίστοιχη περιέλιξη.
Κάθε στήλη ακολουθίας αλλαγής φάσης έχει ένα τύλιγμα που τροφοδοτείται με θετική τάση, ένα τύλιγμα που τροφοδοτείται με αρνητική τάση και ένα τύλιγμα που ενεργοποιείται σε αρνητική τάση.
Η ακολουθία αλλαγής φάσης αποτελείται από έξι βήματα που συσχετίζουν την έξοδο του αισθητήρα αίθουσας με την έξοδο της περιέλιξης που πρέπει να ενεργοποιηθεί.
Ο Πίνακας 3 παρακάτω δίνει ένα παράδειγμα δεξιόστροφης περιστροφής.
Το τελικό σχέδιο αποτελείται από 4 διαφορετικά μέρη.
Κάτω περίβλημα, ρότορας, άνω περίβλημα και ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα όπως φαίνεται στην Εικόνα 4 παρακάτω. Σχήμα 4: (α)
Κάτω κέλυφος (β) Ρότορας (γ ) Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα (δ)
Κινητήρας συναρμολόγησης (ε) Συναρμολόγηση επάνω.
Όλα τα μέρη εμφανίζονται προς την κατεύθυνση που εκτυπώνονται.
Το κάτω περίβλημα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (α)
Το κάτω κάλυμμα του κινητήρα.
Ο ρότορας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (β)
, Περιέχει 8 μαγνήτες, 4 για την κίνηση του κινητήρα και 4 για την παροχή δεδομένων θέσης στον αισθητήρα Hall.
Όπως φαίνεται στο σχήμα 4, ο ρότορας ολισθαίνει στο κάτω κέλυφος του στυλ ρουλεμάν ολίσθησης (d).
Το κέλυφος στο επάνω μέρος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (ε)
, Τοποθετείται στον ρότορα και συνδέεται στο κάτω μέρος για να κλείσει ο κινητήρας.
Το επάνω περίβλημα περιέχει 3 αισθητήρες θέσης χωλ, καθώς και μια τριγωνική εγκοπή που επιτρέπει στον βιδωτό σωλήνα να κουμπώσει μέσα στο περίβλημα.
Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα όπως φαίνεται στο Σχήμα 4 (γ)
, Τοποθετήστε τρίγωνα στο κέντρο τους για να τους επιτρέψετε να ευθυγραμμιστούν με τις οπές στο επάνω περίβλημα, οι οποίες ευθυγραμμίζονται κάθετα με τον μαγνήτη του ρότορα.
Όλα τα μέρη που περιγράφηκαν προηγουμένως εκτυπώνονται στο Makerbot Replicator 2.
Τα εξαρτήματα μπορούν να εκτυπωθούν ταυτόχρονα και διάφορες παράμετροι εκτύπωσης είναι πιθανό να παράγουν ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Το τελικό προϊόν εκτυπώνεται σε διαφανές πλαστικό PLA, με ποσότητα πλήρωσης 20% και ποσότητα πλήρωσης 0,
20mm ύψος δαπέδου.
Μέσα από επαναλαμβανόμενες δοκιμές, διαπιστώθηκε ότι μέρη που συνδέονται μεταξύ τους χωρίς ολίσθηση, όπως το επάνω και το κάτω κέλυφος, πρέπει να εκτυπωθούν σε 0.
Προσθέστε 25 mm σε όλες τις πλευρές, ενώ μέρη για ελεύθερη ολίσθηση, όπως ρότορες, θα πρέπει να εκτυπωθούν σε 0,
4 mm χώρο γύρω.
Ο μαγνήτης και ο αισθητήρας εφέ Hall εκτυπώνονται στο δεξί κάτω μέρος της κορυφής του κενού σχεδιάζοντας το σωστό εσωτερικό κενό στη σωστή θέση, διακόψτε την εκτύπωση και τοποθετήστε τη συσκευή, εισάγεται στη διάταξη και, στη συνέχεια, συνεχίστε την εκτύπωση.
Το κατάλληλο ύψος παύσης δίνεται στον Πίνακα 4 παρακάτω.
Το κομμάτι τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να αφαιρεθεί από το Makerbot και μπορεί να συναρμολογηθεί μαζί αφού αφαιρέσετε το περίσσιο πλαστικό από τη σχεδία.
Αυτά τα μέρη πρέπει να συναρμολογούνται ομαλά χωρίς μεγάλη προσπάθεια.
Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα χρειάζεται την τελευταία επεξεργασία ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας.
Κάθε ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα τυλίγεται περίπου 400 φορές με μια γραμμή μαγνήτη 26 gw.
Αυτή η διαδικασία μπορεί να επιταχυνθεί περιστρέφοντας την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα στο τρυπάνι.
Βεβαιωθείτε ότι κάθε ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι συσκευασμένη προς την ίδια κατεύθυνση, έτσι ώστε η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα που προκύπτει να έχει την ίδια πολικότητα.
Μόλις η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα είναι έτοιμη, θα πρέπει να κουμπώσουν στο κέλυφος στο επάνω μέρος.
Εδώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ισχυρή κόλλα για την ενίσχυση της σύνδεσης.
Τα στοιχεία του κυκλώματος πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους σύμφωνα με το παρακάτω σχηματικό διάγραμμα.
Το VCC του προγράμματος οδήγησης κινητήρα L6234 μπορεί να είναι από 7 v έως 42 V, αλλά συνιστώ να λειτουργεί ο κινητήρας χωρίς να είναι υψηλότερο από 12ish V.
Το πρόγραμμα που γράφτηκε από την Arduino για τον έλεγχο της σειράς αλλαγής φάσης βρίσκεται στο πρόγραμμα, το οποίο είναι προσαρμοσμένο σύμφωνα με αυτό το εγχειρίδιο.
Η μελλοντική βελτίωση του κινητήρα μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις κατηγορίες.
Μηχανική βελτιστοποίηση, βελτίωση απόδοσης, βελτίωση ελέγχου και εφαρμογή.
Το πρώτο βήμα σε οποιαδήποτε μελλοντική εργασία θα πρέπει να είναι η δοκιμή της ροπής
Ταχύτητα και απόδοση του τρέχοντος κινητήρα.
Ο έλεγχος του κινητήρα μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια μέθοδο υλικού και όχι μια μέθοδο λογισμικού, η οποία θα μειώσει σημαντικά το κόστος και την κλίμακα της υλοποίησης.
Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή του πώς μπορεί να επιτευχθεί αυτό -
Υπάρχουν πολλοί τομείς όπου μπορεί να βελτιστοποιηθεί ο μηχανικός σχεδιασμός του κινητήρα.
Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα μπορεί απλά να εισαχθεί στο κύριο σώμα του κινητήρα.
Το μέγεθος του κινητήρα μπορεί να μειωθεί σημαντικά.
Το μέγεθος του μαγνήτη θέσης μπορεί να μειωθεί σημαντικά για να μειωθεί η ροπή του ρότορα.
Ο σχεδιασμός του κινητήρα μπορεί να παραμετροποιηθεί και να εκτυπωθεί σε μια ποικιλία διαφορετικών μεγεθών.
Η απόδοση του κινητήρα μπορεί να βελτιστοποιηθεί ελέγχοντας το
χαρακτηριστικό της ταχύτητας ροπής εντός του εύρους της εφαρμοζόμενης τάσης.
Εάν ο πλήρως βελτιστοποιημένος κινητήρας τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να παραμετροποιηθεί και να εκτυπωθεί σε διάφορα μεγέθη και βαθμολογίες, το εύρος εφαρμογής θα είναι πολύ ευρύ.
Αυτό είναι το σημειωματάριό μου στο evernote με πολλά άρθρα και συνδέσμους που μελέτησα ενώ έκανα αυτό το έργο.
Σημαντικές πηγές[1]
Βασική αρχή του κινητήρα συνεχούς ρεύματος-
Padmaraja Yedamale-
Κατανοήστε τον κινητήρα συνεχούς ρεύματος
